METABOLISME MIKROORGANISME
Metabolisme adalah sekumpulan proses kimia dan fisika yang terjadi di dalam tubuh suatu organisme atau makhluk hidup/sel yang dengan proses tersebut dibentuk protoplasma atau dipelihara dan dihancurkan. Metabolit = Produk dari proses metabolisme Metabolisme disebut juga reaksi enzimatis, karena metabolisme terjadi selalu menggunakan katalisator enzim. Katalisator = zat/senyawa yang dapat mempercepat suatu reaksi tetapi tidak terlibat dalam reaksinya
Berdasarkan prosesnya metabolisme dibagi 2, yaitu: 1. Anabolisme/Asimilasi/Sintesis, yaitu proses pembentukan molekul yang kompleks dari molekul sederhana dengan menggunakan energi tinggi. Contoh : fotosintesis (asimilasi C) energi cahaya 6 CO2 + 6 H2O > C6H1206 + 6 02 klorofil glukosa (energi kimia)
Pada kloroplas terjadi transformasi energi, yaitu dari energi cahaya sebagai energi kinetik berubah menjadi energi kimia sebagai energi potensial, berupa ikatan senyawa organik pada glukosa. Dengan bantuan enzim-enzim, proses tersebut berlangsung cepat dan efisien. Bila dalam suatu reaksi memerlukan energi dalam bentuk panas reaksinya disebut reaksi endergonik. Reaksi itu disebut: reaksi endoterm/endotermik.
2. Katabolisme (Dissimilasi), yaitu proses penguraian zat untuk membebaskan energi kimia yang tersimpan dalam senyawa organik tersebut. Contoh: enzim C6H12O6 + 6 O2 Energi kimia 6 CO2 + 6 H2O + 686 KKal
Saat molekul terurai menjadi molekul yang lebih kecil terjadi pelepasan energi sehingga terbentuk energi panas. Bila pada suatu reaksi dilepaskan energi, reaksinya disebut : reaksi eksergonik. Reaksi semacam itu disebut : reaksi eksoterm/eksotermik.
RESPIRASI Respirasi yaitu suatu proses pembebasan energi yang tersimpan dalam zat sumber energi melalui proses kimia dengan menggunakan oksigen. Dari respirasi akan dihasilkan energi kimia ATP (Adenosin Tri Phosphat) untuk kegiatan kehidupan, seperti sintesis (anabolisme), gerak, pertumbuhan.
Contoh: Respirasi pada Glukosa, reaksi sederhananya: C6H1206 + 6 02 > 6 H2O + 6 CO2 + Energi (glukosa)
Reaksi pembongkaran glukosa sampai menjadi H20 + CO2 + Energi, melalui tiga tahap : 1. Glikolisis. 2. Daur Krebs / Siklus Kreb. 3. Transport elektron respirasi
1. Glikolisis: Peristiwa perubahan : Glukosa Glukosa-6 Phosfat Fruktosa 1,6 difosfat 3 fosfogliseral dehid (PGAL) / Triosa fosfat Asam piruvat. Jadi hasil dari glikolisis ialah: 1.1. 2 molekul asam piruvat. 1.2. 2 molekul NADH yang berfungsi sebagai sumber elektron berenergi tinggi. 1.3. 2 molekul ATP untuk setiap molekul glukosa.
2. Daur Krebs /Siklus Kreb: (German Biochemist) Suatu siklus metabolisme respiratoris yang diasosiasikan dengan mitokondria pada sel hewan dan tumbuhan yang melibatkan interconversi berbagai asam dengan dekarboksilasi dan oksidasi dan menghasilkan reduksi NAD dan FAD (NADH dan FADH) yang digunakan untuk menghasilkan ATP dalam phosphorilasi oksidatif dan menghasilkan asam-asam yang berperan sebagai intermediate (perantara) pada reaksi sintesis lain. Daur Krebs = (daur trikarboksilat) atau daur asam sitrat merupakan pembongkaran asam piruvat secara aerob menjadi CO2 dan H2O serta energi kimia.
3. Rantai Transportasi Elektron Respiratori: Dari daur Krebs akan keluar elektron dan ion H+ yang dibawa sebagai NADH2 (NADH + H+ + 1 elektron) dan FADH2, sehingga di dalam mitokondria (dengan adanya siklus Krebs yang dilanjutkan dengan oksidasi melalui sistem pengangkutan elektron) akan terbentuk air, sebagai hasil sampingan respirasi selain CO2.
Produk sampingan respirasi tersebut pada akhirnya dibuang ke luar tubuh melalui dinding sel bakteri, atau stomata pada tumbuhan dan melalui paruparu pada peristiwa pernafasan hewan tingkat tinggi. Ketiga proses respirasi yang penting tersebut dapat diringkas sebagai berikut:
PROSES AKSEPTOR ATP 1. Glikolisis: Glukosa > 2 asam piruvat 2 NADH 2 ATP 2. Siklus Krebs: =2 asetil piruvat > 2 asetil KoA + 2 C02 2 NADH 2 ATP =2 asetil KoA > 4 CO2 6 NADH 2 PADH2 3. Rantai trsnspor elektron respirator: 10 NADH + 502 > 10 NAD+ + 10 H20 30 ATP 2 FADH2 + O2 > 2 PAD + 2 H20 4 ATP Total = 38 ATP
Kesimpulan : Pembongkaran 1 mol glukosa (C6H1206) + O2 > 6 H20 + 6 CO2 menghasilkan energi sebanyak 38 ATP.
Molekul Yang Terlibat Dalam Metabolisme 1. ENZIM Enzim merupakan biokatalisator / katalisator organik yang dihasilkan oleh sel. Struktur enzim terdiri dari: Apoenzim, yaitu bagian enzim yang tersusun dari protein, yang akan rusak bila suhu terlampau panas (disebut Termolabil).
Gugus Prostetik (Kofaktor), yaitu bagian enzim yang tidak tersusun dari protein, tetapi dari ion-ion logam atau molekul-molekul organik yang disebut KOENZIM. Molekul gugus prostetik lebih kecil dan tahan panas (termostabil), ion-ion logam yang menjadi kofaktor berperan sebagai stabilisator agarenzim tetap aktif. Koenzim yang terkenal pada rantai pengangkutan elektron (respirasi sel), yaitu NAD (Nikotinamid Adenin Dinukleotida), FAD (Flavin Adenin Dinukleotida), SITOKROM (CYTOCHROME).
Enzim mengatur kecepatan dan kekhususan ribuan reaksi kimia yang berlangsung di dalam sel. Walaupun enzim dibuat di dalam sel, tetapi untuk bertindak sebagai katalis tidak harus berada di dalam sel. Reaksi yang dikendalikan oleh enzim antara lain ialah respirasi, pertumbuhan dan perkembangan, kontraksi otot, fotosintesis, fiksasi, nitrogen, dan pencernaan.
Sifat-sifat enzim Enzim mempunyai sifat-siat sebagai berikut: 1. Biokatalisator, mempercepat jalannya reaksi tanpa ikut bereaksi. 2. Thermolabil; mudah rusak, bila dipanasi lebih dari suhu 60º C, karena enzim tersusun dari protein yang mempunyai sifat thermolabil. 3. Merupakan senyawa protein sehingga sifat protein tetap melekat pada enzim.
4. Dibutuhkan dalam jumlah sedikit, sebagai biokatalisator, reaksinya sangat cepat dan dapat digunakan berulang-ulang. 5. Bekerjanya ada yang di dalam sel (endoenzim) dan di luar sel (ektoenzim), contoh ektoenzim: amilase,maltase. 6. Umumnya enzim bekerja mengkatalisis reaksi satu arah, meskipun ada juga yang mengkatalisis reaksi dua arah,
contoh : enzim lipase, mengkatalisis pembentukan dan penguraian lemak. lipase Lemak + H2O > Asam lemak + Gliserol
7. Bekerjanya spesifik ; enzim bersifat spesifik, karena bagian yang aktif (permukaan tempat melekatnya substrat) hanya setangkup dengan permukaan substrat tertentu. 8. Umumnya enzim tak dapat bekerja tanpa adanya suatu zat non protein tambahan yang disebut kofaktor.
PENGHAMBATAN KERJA ENZIM
Pada reaksis enzimatis terdapat zat yang mempengarahi reaksi, yakni aktivator dan inhibitor, aktivator dapat mempercepat jalannya reaksi, 2+ 2+ contoh aktivator enzim: ion Mg, Ca, zat organik seperti koenzim-a. Inhibitor akan menghambat jalannya reaksi enzim. Contoh inhibitor : CO, Arsen, Hg, Sianida.
2. ATP (Adenosin Tri Phosphat) Molekul ATP adalah molekul berenergi tinggi. Merupakan ikatan tiga molekulfosfat dengan senyawa Adenosin. Ikatan kimianya labil, mudah melepaskan gugus fosfatnya meskipun digolongkan sebagai molekul berenergi tinggi. Perubahan ATP menjadi ADP (Adenosin Tri Phosphat) diikuti dengan pembebasan energi sebanyak 7,3 kalori/mol ATP. Peristiwa perubahan ATP menjadi ADP merupakan reaksi yang dapat balik.
Katabolisme Katabolisme adalah reaksi pemecahan / pembongkaran senyawa kimia kompleks yang mengandung energi tinggi menjadi senyawa sederhana yang mengandung energi lebih rendah. Tujuan utama katabolisme adalah untuk membebaskan energi yang terkandung di dalam senyawa sumber. Bila pembongkaran suatu zat dalam lingkungan cukup oksigen (aerob) disebut proses respirasi, bila dalam lingkungan tanpa oksigen (anaerob) disebut fermentasi.
(glukosa) Contoh Respirasi : C6H12O6 + O2 > 6CO2 + 6H2O + 688KKal. (glukosa) Contoh Fermentasi :C6H1206 > 2C2H5OH + 2CO2 + Energi. (etanol)
Fermentasi Pada kebanyakan tumbuhan dan hewan respirasi yang berlangsung adalah respirasi aerob, namun demikian dapat saja terjadi respirasi aerob terhambat pada sesuatu hal, maka hewan dan tumbuhan tersebut melangsungkan proses fermentasi yaitu proses pembebasan energi tanpa adanya oksigen, nama lainnya adalah respirasi anaerob.
Dari hasil akhir fermentasi, dibedakan menjadi 2 : 1. Fermentasi asam laktat/asam susu 2.Fermentasi alkohol.
A. Fermentasi Asam Laktat Fermentasi asam laktat yaitu fermentasi dimana hasil akhirnya adalah asam laktat. Peristiwa ini dapat terjadi di otot dalam kondisi anaerob. Terjadi juga pada fermentasi susu menjadi yogurt Reaksinya: C6H12O6 ---------- > 2 C2H5OCOOH + Energi enzim
Prosesnya : Proses fermentasi asam laktat 1. Glukosa > asam piruvat (proses Glikolisis). enzim C6H12O6 > 2 C2H3OCOOH + Energi 2. Dehidrogenasi asam piravat akan terbentuk asam laktat. 2 C2H3OCOOH + 2 NADH2 ------------- > 2 C2H5OCOOH + 2 NAD piruvat dehidrogenase Energi yang terbentak dari glikolisis hingga terbentuk asam laktat : 8 ATP 2 NADH2 = 8-2(3 ATP) = 2 ATP.
Fermentasi Alkohol Pada beberapa mikroba peristiwa pembebasan energi terlaksana karena asam piruvat diubah menjadi asam asetat + CO2 selanjutnya asam asetat diubah menjadi alkohol. Dalam fermentasi alkohol, satu molekul glukosa hanya dapat menghasilkan 2 molekul ATP, bandingkan dengan respirasi aerob, satu molekul glukosa mampu menghasilkan 38 molekul ATP.
Reaksinya : 1. Gula (C6H12O6) > asam piruvat (glikolisis) 2. Dekarboksilasi asam piruvat. Asampiruvat > asetaldehid + CO2. piruvat dekarboksilase (CH3CHO) 3. Asetaldehid oleh alkohol dihidrogenase diubah menjadi alkohol (etanol). 2 CH3CHO + 2 NADH2 > 2 C2HsOH + 2 NAD. Enzim alkohol dehidrogenase Ringkasan reaksi : C6H12O6 > 2 C2H5OH + 2 CO2 + 2 NADH2 + Energi
Fermentasi Asam Cuka Fermentasi asam cuka merupakan suatu contoh fermentasi yang berlangsung dalam keadaan aerob. Fermentasi ini dilakukan oleh bakteri asam cuka (Acetobacter aceti) dengan substrat etanol. Energi yang dihasilkan 5 kali lebih besar dari energi yang dihasilkan oleh fermentasi alkohol secara anaerob.
Reaksi: aerob C6H12O6 > 2 C2H5OH------- --------------------------------------- > glukosa bakteri asam cuka 2 CH3COOH + H2O + 116 kal asam cuka
Anabolisme Anabolisme adalah suatu peristiwa perubahan senyawa sederhana menjadi senyawa kompleks, nama lain dari anabolisme adalah peristiwa sintesis atau penyusunan. Anabolisme memerlukan energi, misalnya : energi cahaya untuk fotosintesis, energi kimia untuk kemosintesis.
Fotosintesis 1. Fotosintesis adalah proses penyusunan atau pembentukan dengan menggunakan energi cahaya atau foton. Sumber energi cahaya alami adalah matahari yang memiliki spektrum cahaya infra merah (tidak kelihatan), merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, ungu dan ultra ungu (tidak kelihatan).
Yang digunakan dalam proses fetosintesis adalah spektrum cahaya tampak, dari ungu sampai merah, infra merah dan ultra ungu tidak digunakan dalam fotosintesis. Dalam fotosintesis, dihasilkan karbohidrat dan oksigen, oksigen sebagai hasil sampingan dari fotosintesis, volumenya dapat diukur, oleh sebab itu untuk mengetahui tingkat produksi fotosintesis adalah dengan mengatur volume oksigen yang dikeluarkan dari tubuh tumbuhan.
Pigmen Fotosintesis Fotosintesis hanya berlangsung pada sel yang memiliki pigmen fotosintetik. Di dalam daun terdapat jaringan pagar dan jaringan bunga karang, pada keduanya mengandung kloroplast yang mengandung klorofil / pigmen hijau yang merupakan salah satu pigmen fotosintetik yang mampu menyerap energi cahaya matahari.
Dilihat dari strukturnya, kloroplas terdiri atas membran ganda yang melingkupi ruangan yang berisi cairan yang disebut stroma. Membran tersebut membentak suatu sistem membran tilakoid yang berwujud sebagai suatu bangunan yang disebut kantung tilakoid. Kantungkantung tilakoid tersebut dapat berlapislapis dan membentak apa yang disebut grana Klorofil terdapat pada membran tilakoid dan pengubahan energi cahaya menjadi energi kimia berlangsung dalam tilakoid, sedang pembentukan glukosa sebagai produk akhir fotosintetis berlangsung di stroma
Faktor-faktor yang berpengaruh terhadap pembentukan klorofil antara lain : 1. Gen : bila gen untuk klorofil tidak ada maka tanaman tidak akan memiliki klorofil. 2. Cahaya : beberapa tanaman dalam pembentukan klorofil memerlukan cahaya, tanaman lain tidak memerlukan cahaya. 3. Unsur N. Mg, Fe : merupakan unsur-unsur pembentuk dan katalis dalam sintesis klorofil. 4. Air : bila kekurangan air akan terjadi desintegrasi klorofil.
Pada tabun 1937 : Robin Hill mengemukakan bahwa cahaya matahari yang ditangkap oleh klorofil digunakan untak memecahkan air menjadi hidrogen dan oksigen. Peristiwa ini disebut fotolisis (reaksi terang). H2 yang terlepas akan diikat oleh NADP dan terbentuklah NADPH2, sedang O2 tetap dalam keadaan bebas. Menurut Blackman (1905) akan terjadi penyusutan CO2 oleh H2 yang dibawa oleh NADP tanpa menggunakan cahaya. Peristiwa ini disebut reaksi gelap NADPH2 akan bereaksi dengan CO2 dalam bentuk H+ menjadi CH20. CO2 + 2 NADPH2 + O2 > 2 NADP + H2 + CO+ O + H2 + O2
Reaksinya: Reaksi terang : 2 H20 > 2 NADPH2 + O2 Reaksi gelap : CO2 + 2 NADPH2 + O2 >NADP + H2 + CO + O + H2 +O2 atau 2 H2O + CO2 > CH2O + O2 atau 12 H2O + 6 CO2 > C6H12O6 + 6 O2
Kemosintesis Tidak semua tumbuhan dapat melakukan asimilasi C menggunakan cahaya sebagai sumber energi. Beberapa macam bakteri yang tidak mempunyai klorofil dapat mengadakan asimilasi C dengan menggunakan energi yang berasal dan reaksi-reaksi kimia. misal: bakteri sulfur, bakteri nitrat, bakteri nitrit, bakteri besi dan lain-lain. Bakteri-bakteri tersebut memperoleh energi dari hasil oksidasi senyawa-senyawa tertentu.
Bakteri besi memperoleh energi kimia dengan cara oksidasi Fe2+ (ferro) menjadi Fe3+ (ferri). Bakteri Nitrosomonas dan Nitrosococcus memperoleh energi dengan cara mengoksidasi NH3, tepatnya Amonium Karbonat menjadi asam nitrit dengan reaksi: Nitrosomonas (NH4)2CO3 + 3 O2 > 2 HNO2 Nitrococcus + CO2 + 3 H20 + Energi
1. Sintesis Lemak Lemak dapat disintesis dari karbohidrat dan protein, karena dalam metabolisme, ketiga zat tersebut bertemu di dalarn daur Krebs. Sebagian besar pertemuannya berlangsung melalui pintu gerbang utama siklus (daur) Krebs, yaitu Asetil Ko-enzim A. Akibatnya ketiga macam senyawa tadi dapat saling mengisi sebagai bahan pembentuk semua zat tersebut. Lemak dapat dibentuk dari protein dan karbohidrat, karbohidrat dapat dibentuk dari lemak dan protein dan seterusnya.
4.1. Sintesis Lemak dari Karbohidrat : Glukosa diurai menjadi piruvat > gliserol. Glukosa diubah > gula fosfat > asetilko-a > asam lemak. Gliserol + asam lemak > lemak. 4.2. Sintesis Lemak dari Protein: Protein > Asam Amino protease
Sebelum terbentuk lemak asam amino mengalami deaminasi lebih dabulu, setelah itu memasuki daur Krebs. Banyak jenis asam amino yang langsung ke asam piravat > Asetil Ko-A. Asam amino Serin, Alanin, Valin, Leusin, Isoleusin dapat terurai menjadi Asam piruvat, selanjutnya asam piruvat > gliserol > fosfogliseroldehid Fosfogliseraldehid dengan asam lemak akan mengalami esterifkasi membentuk lemak.
Lemak berperan sebagai sumber tenaga (kalori) cadangan. Nilai kalorinya lebih tinggi daripada karbohidrat. 1 gram lemak menghasilkan 9,3 kalori, sedangkan 1 gram karbohidrat hanya menghasilkan 4,1 kalori saja.
Sintesis Protein Sintesis protein yang berlangsung di dalam sel, melibatkan DNA, RNA dan Ribosom. Penggabungan molekul-2 asam amino dalam jumlah besar akan membentuk molekul polipeptida. Pada dasarnya protein adalah suatu polipeptida. Setiap sel dari organisme mampu untuk mensintesis protein-protein tertentu yang sesuai dengan keperluannya. Sintesis protein dalam sel dapat terjadi karena pada inti sel terdapat suatu zat (substansi) yang berperan penting sebagai "pengatur sintesis protein". Substansi-substansi tersebut adalah DNA dan RNA.